纤维复合材料高压储氢气瓶及其制备方法技术

本发明专利技术提供了纤维复合材料高压储氢气瓶及其制备方法，制备方法包括：S100、提供气瓶内胆，所述气瓶内胆包括内胆主体和瓶口；S200、采用纤维纱线在所述气瓶内胆的外表面进行二维多锭编织，以形成包括多层纤维二维织物的复合材料编织层，其中，所述纤维二维织物在内胆主体处的编织角度为56～67°，在瓶口处的编织角度为15～55°；S300、复合材料编织层中，在每3～5层相邻纤维二维织物之间加设沿气瓶的轴线方向的缝线进行固定，得到编织预成型体；S400、采用树脂通过真空袋真空树脂灌注法对所述编织预成型体进行固化，得到具有纤维复合材料层的纤维复合材料高压储氢气瓶。本发明专利技术的纤维复合材料高压储氢气瓶轻质高强、耐疲劳、结构刚度大、耐高低温冲击稳定性好。

【技术实现步骤摘要】
纤维复合材料高压储氢气瓶及其制备方法
本专利技术氢气储存
，特别涉及用于纤维复合材料高压储氢气瓶及其制备方法。
技术介绍
目前，氢能作为一种新型环保能源受到了社会各界的广泛关注，并应用于新能源汽车领域。氢燃料汽车已经问世，但大多都使用钢瓶贮存氢燃料，车用氢气钢瓶存在质量重、容重比小、易腐蚀、失效模式不安全，工作压力不高等不足，制约了氢气能源在新能源汽车领域的应用。当今全世界都在大力提倡节能减排、创造低碳生活的背景下，新能源汽车迫切需要一种质量轻、耐高压、疲劳寿命高的储氢气瓶部件来突破其应用瓶颈，为新能源汽车逐步替代传统的石油燃料汽车贡献力量，还给地球清洁的呼吸空气。因此，研制开发一种车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶及其生产工艺是亟待解决的技术问题。国外在高压储氢瓶的研究和测试领域起步较早，应用相对成熟，主要的研究机构包括挪威HexagonComposites公司、美国Quantum公司、加拿大Dynetek公司、日本丰田公司以及韩国ILJINComposite公司等，目前产品主要以工作压力70MPa的塑料内胆碳纤维全缠绕复合气瓶(Ⅳ型瓶)为主，重量储氢密度均在5.0％以上，已在重卡和乘用车领域得到广泛应用，少数产品采用金属内胆碳纤维全缠绕复合气瓶(Ⅲ型瓶)。HexagonComposites公司开发的Ⅳ型储氢瓶已用于丰田燃料电池重卡，并于2018年完成路试。丰田通过对传统Ⅳ型储氢瓶金属瓶嘴与塑料内胆连接结构进行改进，提高了安全性、可靠性，但其在内胆和金属胆嘴部位嵌入的径向密封圈存在无法更换等问题，装车使用过程中密封圈自然老化对结构密封性、耐久性的影响有待进一步验证。国内开展车载高压储氢瓶的企业主要包括科泰克、天海、斯林达、中材科技等企业。科泰克公司2005年起先后依托国家863课题和国家发改委产业化示范项目在国内首次自主成功开发了35MPa车用储氢瓶并实现了批量生产和推广应用，目前车载储氢瓶及储氢系统装车使用保有量位居世界前列。2015年研发的70MPa的Ⅲ型储氢瓶在长寿命、轻量化方面取得突破性进展，已为数个整车厂开发多个规格70MPa储氢瓶，并在重卡、轨道列车以及乘用车样车上得到示范应用。此外，其Ⅳ型瓶已处于研发和测试阶段。目前，碳纤维复合材料储氢罐(如III型和IV型瓶)的制造工艺主要如下：利用碳纤维丝束浸渍环氧树脂之后，在铝合金或高分子内胆上进行纵向和环向缠绕，然后固化成型后脱模。这样的碳纤维复合材料储氢罐包括铝合金或高分子的内胆以及包覆在其上的碳纤维复合材料缠绕层。从厚度截面上看，是通过连续纤维纵向或环向交替缠绕成型，在固化成型后，厚度面上的纤维主要是二维叠层基本纤维排布形式。然而，这种排布的纤维与纤维丝层间成为高耐压环境下的应力集中薄弱点，耐疲劳性能和耐高低温冲击稳定性相对较差。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是针对现有中存在的技术问题，提供纤维复合材料高压储氢气瓶及其制备方法，本专利技术的纤维复合材料高压储氢气瓶轻质高强、耐疲劳、结构刚度大、耐高低温冲击稳定性好。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。一方面，本专利技术提供了纤维复合材料高压储氢气瓶的制备方法，其中，所述制备方法包括以下步骤：S100、提供气瓶内胆，所述气瓶内胆包括内胆主体和瓶口；S200、采用纤维纱线在所述气瓶内胆的外表面进行二维多锭编织，以形成包括多层纤维二维织物的复合材料编织层，其中，所述纤维二维织物在内胆主体处的编织角度为56～67°，在瓶口处的编织角度为15～55°；S300、复合材料编织层中，在每3～5层相邻纤维二维织物之间加设沿气瓶的轴线方向的缝线进行固定，得到编织预成型体；S400、采用树脂通过真空袋真空树脂灌注法对所述编织预成型体进行固化，得到具有纤维复合材料层的纤维复合材料高压储氢气瓶。本专利技术的制备方法中，纤维的编织预成型体的干法编织工艺和真空袋真空树脂灌注成型工艺相结合，与传统的高压储氢罐纤维复合材料的湿法缠绕成型工艺相比，效率高，缺陷孔隙率小，含胶量均一性好，同时真空袋真空树脂灌注成型工艺还可以实现树脂含量的精确控制，有利于纤维复合材料高压储氢气瓶总体性能的精确调控。本专利技术的制备方法对气瓶内胆进行全包覆，实现了高压储氢气瓶的整体增强。特别地，所述纤维二维织物在内胆主体处的编织角度为56～67°，在瓶口处的编织角度为15～55°，有利于提高内胆主体环向均匀承载和瓶口处轴向主要承载。另外，采用缝线对每3～5层相邻纤维二维织物进行固定，提高了每层纤维二维织物的层间剪切强度，可以有效避免普通铺缠结构纤维复合材料的层间剪切强度低的问题，进而有效地提高了高压气瓶产品耐压质量和使用寿命。进一步地，本专利技术中采用二维多锭编织来形成编织预成型体，一方面有效提升了面内剪切强度，与缠绕工艺中纤维丝束独立承载相比，纤维丝束能够在面内协同承载，在反复充放气过程的疲劳冲击中不容易出现层间失效现象。根据本专利技术提供的制备方法，其中，步骤S100中所述气瓶内胆为塑料内胆或金属内胆。通常地，所述气瓶内胆还设置有由内胆主体向瓶口过渡的瓶肩部。在一些实施方案中，步骤S100中所述气瓶内胆为铝合金内胆。铝合金内胆的瓶肩部较为平缓，可以有效控制在编织过程中纤维在瓶肩部堆积、滑移等现象，进而可以提高瓶肩部的纤维复合材料的性能可靠性。在一些实施方案中，所述纤维二维织物在瓶肩部处的编织角度为15～55°。在一些优选实施方案中，所述纤维二维织物在瓶口处的编织角度为15～20°，在瓶肩部处的编织角度为45～55°。根据本专利技术提供的制备方法，其中，适合用于本专利技术的铝合金内胆的材质可以为6061铝合金或6062铝合金。当然，本专利技术中也可以采用具有相同、相近或更优性能的铝合金来形成铝合金内胆。根据本专利技术提供的制备方法，其中，步骤S100中所述气瓶内胆的尺寸可以根据需要选择，例如可以根据纤维复合材料高压储氢气瓶的耐压要求设置不同的气瓶长度。例如，在一些具体实施方案中，所述铝合金内胆的内胆主体外径为150～180mm，厚度为4～10mm并由中间向瓶口方向逐渐增加，瓶口外径25～35mm，瓶口内径为8～12mm，所述气瓶内胆的总长度为750～850mm；以及在另外一些具体实施方案中，所述铝合金内胆的内胆主体外径为350～380mm，厚度为5～15mm并由中间向瓶口方向逐渐增加，瓶口外径50～60mm，瓶口内径为20～30mm，所述气瓶内胆的总长度为550～650mm。根据本专利技术提供的制备方法，其中，适合用于本专利技术的纤维的实例包括但不限于：碳纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维。在一些实施方案中，所述纤维为碳纤维。例如，可以采用购自日本东丽公司的T70024K或T70036K碳纤维。根据本专利技术提供的制备方法，可以根据纤维复合材料高压储氢气瓶的耐压要求设置不同的编织角度。在一些实施方案中，步骤S200中，至少部分相邻的纤维二维织物的编织角度不同。据认为，采用不同的编织角度来形成相邻的纤维二维织物，可以使得复合材料编织层受力更加均匀。在一些实施方案中，纤维本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.纤维复合材料高压储氢气瓶的制备方法，其中，所述制备方法包括以下步骤：/nS100、提供气瓶内胆，所述气瓶内胆包括内胆主体和瓶口；/nS200、采用纤维纱线在所述气瓶内胆的外表面进行二维多锭编织，以形成包括多层纤维二维织物的复合材料编织层，其中，所述纤维二维织物在内胆主体处的编织角度为56～67°，在瓶口处的编织角度为15～55°；/nS300、复合材料编织层中，在每3～5层相邻纤维二维织物之间加设沿气瓶的轴线方向的缝线进行固定，得到编织预成型体；/nS400、采用树脂通过真空袋真空树脂灌注法对所述编织预成型体进行固化，得到具有纤维复合材料层的纤维复合材料高压储氢气瓶。/n

【技术特征摘要】
1.纤维复合材料高压储氢气瓶的制备方法，其中，所述制备方法包括以下步骤：
S100、提供气瓶内胆，所述气瓶内胆包括内胆主体和瓶口；
S200、采用纤维纱线在所述气瓶内胆的外表面进行二维多锭编织，以形成包括多层纤维二维织物的复合材料编织层，其中，所述纤维二维织物在内胆主体处的编织角度为56～67°，在瓶口处的编织角度为15～55°；
S300、复合材料编织层中，在每3～5层相邻纤维二维织物之间加设沿气瓶的轴线方向的缝线进行固定，得到编织预成型体；
S400、采用树脂通过真空袋真空树脂灌注法对所述编织预成型体进行固化，得到具有纤维复合材料层的纤维复合材料高压储氢气瓶。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤S100中所述气瓶内胆为塑料内胆或金属内胆；
优选地，所述气瓶内胆还设置有由内胆主体向瓶口过渡的瓶肩部，所述纤维二维织物在瓶肩部处的编织角度为15～55°；
优选地，所述纤维二维织物在瓶口处的编织角度为15～20°，在瓶肩部处的编织角度为45～55°。


3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，步骤S100中所述气瓶内胆为铝合金内胆；
优选地，所述铝合金内胆的内胆主体外径为150～180mm，厚度为4～10mm并由中间向瓶口方向逐渐增加，瓶口外径25～35mm，瓶口内径为8～12mm，所述气瓶内胆的总长度为750～850mm；或者所述铝合金内胆的内胆主体外径为350～380mm，厚度为5～15mm并由中间向瓶口方向逐渐增加，瓶口外径50～60mm，瓶口内径为20～30mm，所述气瓶内胆的总长度为550～650mm。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其中，所述纤维为选自碳纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维中的一种或多种。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的制备方法，其中，步骤S200中，至少部分相邻的纤维二维织物的编织角度不同；
优选地，纤维二维织物的编织角度呈周期变化，每个变化周期内，纤维二维织物的编织角度逐层增大。


6.根据权利要求1至5中任...

【专利技术属性】
技术研发人员：张振翀，陈雨时，梁晨，邹广才，原诚寅，
申请(专利权)人：北京新能源汽车技术创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11